倪冬寧，鮑君華，何衛(wèi)東

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

近幾年來，國內(nèi)多所高校開展了三維打印技術(shù)的研發(fā)工作,清華大學(xué)在現(xiàn)代成型學(xué)理論、分層實(shí)體制造、FDMT工藝等方面都有一定的科研優(yōu)勢；華中科技大學(xué)在分層實(shí)體制造工藝方面有優(yōu)勢；西安交通大學(xué)自主研制了三維打印機(jī)噴頭，并開發(fā)了光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)成型材料，成型精度達(dá)到0.2 mm。但國內(nèi)三維技術(shù)的研發(fā)水平還處在單一零部件的研究優(yōu)化層次，因此能夠滿足商用以及個性化需求的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尚有欠缺，也難以實(shí)現(xiàn)多材料快速打印的需求。為此，本文在保證打印速度的前提下，優(yōu)化了打印機(jī)成像以及鋪粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)優(yōu)化的內(nèi)容提出了一種新型的雙粉倉三維激光打印結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印以及兩種材料的混合打印。

1 3D打印設(shè)計(jì)原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 3D打印設(shè)計(jì)原理

三維激光打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，它通過將計(jì)算機(jī)打印模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控信號，利用打印材料熔點(diǎn)低、可快速成型的特點(diǎn)進(jìn)行燒結(jié)成型。激光燒結(jié)技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 激光燒結(jié)技術(shù)原理

1.2 新型三維碳粉激光打印機(jī)總體結(jié)構(gòu)

打印機(jī)的打印效率很大程度上取決于打印機(jī)的結(jié)構(gòu)是否合理，本文設(shè)計(jì)的新型三維碳粉激光打印機(jī)采用以功能模塊為單位的結(jié)構(gòu)，每個模塊相應(yīng)獨(dú)立，運(yùn)行各自的功能，相互配合共同完成打印工作。設(shè)計(jì)的新型三維碳粉激光打印機(jī)模型如圖2所示。

1-激光發(fā)射系統(tǒng)；2-成像系統(tǒng)；3-鋪粉系統(tǒng)；4-打印平臺升降系統(tǒng)

1.3 新型三維碳粉激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 激光發(fā)射系統(tǒng)的選擇

激光發(fā)射系統(tǒng)是激光燒結(jié)技術(shù)的核心，對材料粉末進(jìn)行燒結(jié)固化，完成每一層形狀的成型工作。工作中需要確定合適的激光功率，功率不足會影響燒結(jié)深度，使層之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低；功率過高，燒結(jié)件與未燒結(jié)材料粉末接觸邊沿處模糊，后續(xù)處理十分困難。本設(shè)計(jì)激光發(fā)射器的功率取值范圍為10 W～30 W。

1.3.2 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三維激光打印中，形狀圖成像的速度嚴(yán)重影響打印工作速度，快速簡單的成像結(jié)構(gòu)可以提高打印工作效率。本設(shè)計(jì)采用液晶玻璃作為打印機(jī)成像系統(tǒng)，工作時液晶玻璃呈現(xiàn)黑白兩色，激光在照射時無法通過黑色區(qū)域，能量無法達(dá)到工作平臺，而白色部分則相反，光線通過液晶玻璃形成預(yù)設(shè)定的形狀，快速成像，解決了打印機(jī)成像速度緩慢的問題。

1.3.3 鋪粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋪粉系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成單粉倉和多粉倉系統(tǒng)，單粉倉系統(tǒng)功能單一，但便于更換維修；多粉倉系統(tǒng)可以滿足多種材料的打印需求。但無論是單粉倉系統(tǒng)還是多粉倉系統(tǒng)都各有利弊，因此，本結(jié)構(gòu)采用雙管式設(shè)計(jì)，采用雙重粉倉，各司其職。打印鏤空結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件時，雙粉倉可分別承擔(dān)打印材料與支撐結(jié)構(gòu)材料的鋪粉功能，也可分別裝有兩種打印材料，進(jìn)行雙材料的打印工作。雙管式粉倉如圖3所示。

圖3 雙管式粉倉

粉倉采用磁輥?zhàn)鳛殇伔巯到y(tǒng)中的核心裝置，并且在粉倉配有送粉口以及粉刷；采用一體化端部蓋，確保粉倉同步運(yùn)動。

粉倉內(nèi)部采用齒輪傳動結(jié)構(gòu)并配有旋轉(zhuǎn)扇葉，防止因打印機(jī)一段時間不使用而造成的粉末積壓；設(shè)置粉末封條防止粉末側(cè)漏，如果發(fā)生側(cè)漏，則漏出來的粉末也可以吸附在下方的磁輥上面，防止打印機(jī)不工作時材料粉末掉落。粉倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 粉倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3.4 打印平臺系統(tǒng)的選擇

本設(shè)計(jì)采用鋁基板熱床打印平臺系統(tǒng)，由鋁基板熱床以及支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)相比其他工作臺更加簡單，而且加熱效率高。打印過程中，通常會給打印平臺貼耐高溫膠帶，防止出現(xiàn)打印翹邊的情況。

2 有限元熱分析

三維打印過程中，激光長時間工作會引起溫度變化從而出現(xiàn)熱變形，因此，需要進(jìn)行相關(guān)熱力學(xué)分析，以保證激光所引起的溫度變化對打印機(jī)造成的影響在可控范圍之內(nèi)。

有限元熱力學(xué)分析的基本思路是將待解區(qū)結(jié)構(gòu)離散化為有限個元素的集合體，并根據(jù)相應(yīng)元素的節(jié)點(diǎn)能量平衡條件建立熱量守恒方程，最后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析并得到各結(jié)構(gòu)的熱分析云圖。本文利用ANSYS Workbench的熱力學(xué)模塊進(jìn)行相應(yīng)熱分析。

2.1 熱力學(xué)參數(shù)選取

熱力學(xué)的仿真需要確定工作環(huán)境，即預(yù)熱溫度，一般在材料軟化點(diǎn)上下5 ℃左右浮動。碳粉的軟化點(diǎn)為60 ℃，所以設(shè)置預(yù)熱溫度為55 ℃～65 ℃；碳粉的熱導(dǎo)率為1 500 W/(m·K)～3 000 W/(m·K)，熔點(diǎn)為166 ℃。

假設(shè)要打印的形狀層為120 mm×120 mm×1 mm的薄層模型，建模后劃分網(wǎng)格，得到的材料粉末有限元模型如圖5所示。

圖5 材料粉末有限元模型

以20 W功率的激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工作時激光通過液晶玻璃照射在材料上，根據(jù)液晶玻璃通透率，以極限數(shù)值75%為參數(shù)，計(jì)算得到的熱源能量為0.052 W/mm3。設(shè)置內(nèi)熱源，獲得的材料粉末熱分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：在20 W激光功率下，材料粉末可達(dá)到的最高溫度為181.94 ℃，大于碳粉的自身熔點(diǎn)，滿足激光燒結(jié)技術(shù)的燒結(jié)成型條件。

圖6 材料粉末熱分析結(jié)果 圖7 打印平臺熱分析結(jié)果 圖8 液晶玻璃熱分析結(jié)果

確定了激光功率后，再對打印升降平臺和液晶玻璃進(jìn)行熱分析。液晶玻璃的熱導(dǎo)率為0.75 W/(m·K)，熔點(diǎn)為600 ℃；打印平臺的熱導(dǎo)率為2 W/(m·K)，熔點(diǎn)為660.4 ℃。得到的打印平臺和液晶玻璃熱分析結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可知：打印平臺達(dá)到的最高溫度為282.71 ℃，液晶玻璃達(dá)到的最高溫度為94.574 ℃，滿足使用要求，因此20 W的激光滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 熱力學(xué)燒結(jié)仿真

使用ANSYS Workbench模擬激光燒結(jié)過程進(jìn)行熱固耦合數(shù)值求解。模型使用50 mm×50 mm×1 mm的實(shí)體薄層模型，激光燒結(jié)的相關(guān)參數(shù)以及模型如表1和圖9所示。

圖9 燒結(jié)仿真模型

表1 激光燒結(jié)相關(guān)參數(shù)

為了仿真激光運(yùn)動過程中的熱場分布，使用ANSYS的ACT工具“MovingHeatFlux”進(jìn)行移動熱流率載荷設(shè)置。設(shè)置材料參數(shù)，并進(jìn)行瞬態(tài)熱分析-靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的順序耦合分析，模擬激光燒結(jié)過程中的熱應(yīng)力分布情況，求解結(jié)果如圖10所示。

圖10 激光燒結(jié)熱應(yīng)力分布

由圖10可知：在材料溫度達(dá)到近50 ℃時，上下材料之間呈現(xiàn)燒結(jié)粘結(jié)狀態(tài)，所以當(dāng)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時，材料碳粉可以充分地粘結(jié)。

3 打印機(jī)驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是打印機(jī)常用的驅(qū)動電機(jī)，選擇步進(jìn)電機(jī)需要滿足以下幾個原則：連續(xù)工作扭矩小于步進(jìn)電機(jī)額定扭矩；瞬時最大扭矩小于步進(jìn)電機(jī)最大扭矩：負(fù)載慣量小于3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量；連續(xù)工作速度小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)選取原則，選取各部位的電機(jī)型號，如表2所示。

表2 各驅(qū)動部件電機(jī)型號

3.2 傳動裝置的選擇

傳動裝置選擇速度可控、過程平穩(wěn)的帶傳動作為主要傳動方式。選取的傳動帶型號如表3所示。

表3 傳動帶型號

4 結(jié)語

本文結(jié)合傳統(tǒng)的激光燒結(jié)原理，設(shè)計(jì)了一種新型三維碳粉激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)以及新型的鋪粉與成像系統(tǒng)。采用液晶玻璃直接顯示打印層，成像更加直觀，通過計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印以及兩種材料的混合打印。